KonspektOKPMRES

А.С. Муранов

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Конспект лекций

Наука и техника 2008

2

1. Общие сведения о компьютерном проектировании

Сколько программистов нужно для того, чтобы вкрутить лампочку? … Ни одного! Это аппаратная проблема и программисты ее не решают.

1.1. Основные понятия дисциплины

Компьютерное проектирование радиоэлектронной аппаратуры – это разработка электронных устройств с помощью вычислительной техники. Вместо того чтобы многократно собирать и проверять работу устройства, проводят его моделирование на ПЭВМ.

Что позволяет получить использование ПЭВМ?

-уменьшение сроков проектирования;

-снижение материальных затрат;

-повышение качества проекта;

-повышение производительности труда.

Однако, проведение проектирования только на базе компьютерного моделирования не верно. В конечном итоге все определяют натурные испытания. На успешный результат проектирования влияет прежде всего человеческий фактор: образованность и талант радиоинженера.

Цель дисциплины – усвоение понятий и методологии компьютерного проектирования, изучение математических моделей и алгоритмов решений типовых задач в среде схемотехнического проектирования Circuit Maker.

Базовые термины дисциплины:

•проектирование – процесс создания еще не существующего объекта на основе первичного описания.

•проект – комплект научно-технической документации, необходимый для изготовления и использования устройства;

Всостав проекта входят:

-функциональная схема – совокупность блоков математических функций и связей между блоками. Функциональная схема необходима для создания технического описания, в котором поясняются принципы работы устройства;

-структурная схема – совокупность блоков и связей согласно принципиальной схеме;

3

-принципиальная электрическая схема – символическое представление реальных элементов схемы и связей между ними;

-перечень элементов принципиальной схемы – таблица с номиналами и типами элементов;

-печатная плата;

-сборочный чертеж и чертежи конструкции;

-инструкции по сборке, наладке, испытаниям и эксплуатации.

•SPICE – Simulation Program with Integrated Circuit Emphases

•САПР – система автоматизированного проектирования: ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением, а также некоторые специализированные средства: измерительная аппаратура, программаторы, паяльная станция и т.д.

•CAD – компьютер помогает проектированию;

•CAM - компьютер помогает производству.

1.2.Способы проектирования

Взависимости от степени применения ЭВМ различают три способа проектирования.

•Неавтоматизированное проектирование. Применение ЭВМ минимально. Используется, когда отсутствуют либо математические модели с соответствующим программным обеспечением, либо ЭВМ.

Сводится к расчетам по приближенным формулам и натурному макетированию. Натурное макетирование - процесс дорогой и длительный, однако дающий истинные результаты.

•Автоматическое проектирование – без участия человека. Возможно в простых, хорошо изученных системах с идеальными математическими моделями. Например, расчет ФНЧ на базе высококачественного операционного усилителя.

•Автоматизированное проектирование – активное участие человека, вооруженного системой проектирования на базе ПЭВМ. Преимущества: можно легко и быстро менять схему и параметры компонентов, можно установить параметры, недоступные в реальном объекте. Возможно исследование предельных и запредельных режимов без материальных затрат. Можно прогнозировать изменение характеристик во времени, т.е. срок эксплуатации.

4

Недостатки: имеем дело с математической моделью, которая может не достаточно точно учитывать некоторые характеристики реальных объектов.

1.3. Математическая модель и математическое моделирование

Математическая модель – отображение основных свойств объекта математическими методами: линейные, нелинейные, дифференциальные, логические и другие уравнения.

Математическое моделирование – процесс решения задачи для математической модели. При моделировании на основании внутренних и внешних параметров рассчитываются выходные параметры объекта.

Внутренние параметры – это физические величины, характеризующие свойства элементов объекта – параметры элементов (сопротивление, емкость), структура принципиальной электрической схемы.

Внешние параметры – физические величины, характеризующие свойства внешней среды (температура, входной сигнал). Выходные параметры - физические величины, характеризующие свойство объекта в целом. Есть результат решения уравнений математической модели. Могут представляться в виде чисел или функциональных зависимостей (аналитических решений). Выходные параметры являются показателями качества системы (статическая характеристика, АЧХ, переходная характеристика).

Классификация моделей

•факторная модель - выходные параметры представлены в явном виде. Дает, как правило, аналитическое (явное) решение.

•фазовая модель - когда выходные параметры есть следующие друг за другом состояния. Решения, как правило, - численные.

Требования к математическим моделям

•адекватность

•универсальность

•экономичность

5

1.4. Типовые задачи и этапы автоматизированного проектирования

Анализ – разложение на составные части. Легко поддается автоматизации. Результат решения:

•одновариантный – одна зависимость.

•многовариантный – несколько зависимостей одновременно (например, от температуры), что повышает качество проектирования, поскольку возможна оптимизация.

Синтез – соединение отдельных частей в единое целое. Служит для создания нового объекта. Синтез плохо поддается формализации и является, как правило, интеллектуальной задачей.

На рис. 1.1 представлены основные этапы проектирования.

Идея		Техн.		НИР		Схемотехн.		ОКР		ПРОЕКТ
		задание				моделир.

Человек >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> ПЭВМ

Рис. 1.1. Этапы автоматизированного проектирования.

1.5. Современные пакеты CAD SPICE

Структура пакета автоматизированного проектирования приведена на рисунке

Библиотеки элементов

NetList

NetList

SPICE

Графич.

Редакт.

SPECTRA

PROBE

редактор

PCB

Характер.

Документа-

Ввод

Печатная

Документа-

у-ва

ция

плата (PCB)

ция

Рис. 1.2. Структура пакета SPICE

6

В табл. 1.1 даны наиболее известные пакеты SPICE.

			Таблица 1.1
Пакет	Достоинства	Недостатки	Особенности
WorkBench	Наглядность,	Низкая надежность,	Для начинаю-
	доступность,	ограниченый набор	щих радиолюби-
	литература	функций	телей
MicroCAP	Литература, доступ-	Неудобная и слож-	Для радиолюби-
	ность, малый объем,	ная работа, невысо-	телей и студен-
	большая база данных,	кая надежность	тов
	обновления
DesignLab/	Литература, сквозное	Сложность, боль-	Для профессио-
OrCAD	проектирование	шой объем	нальной работы
PROTEL/	Сквозное проектиро-	Сложность, боль-	Для профессио-
PCAD	вание	шой объем	нальной работы
Circuit	Удобная работа, пол-	Отсутствие литера-	Для профессио-
Maker	ный набор функций,	туры, плохая связь с	налов и студен-
	малый объем, высо-	другими пакетами	тов
	кая надежность

Контрольные вопросы

1.Какие виды проектирования Вам известны?

2.Каковы преимущества автоматизированного проектирования?

3.Что входит в состав проекта?

4.Дайте определение математической модели.

5.Назовите этапы автоматизированного проектирования.

6.Опишите структуру пакета SPICE.

7

2. Элементы аналоговой схемотехники. Часть 1

Как работает транзистор?

ЖЖЖЖЖЖ…..

2.1. Классификация элементов

Классификацию элементов на низкой частоте можно провести согласно следующему рисунку.

Радиокомпонент

Линейный

Нелинейный

Безинерц.

Инерцион.

Пассивный

Активный

Безинерц.

Инерцион.

Безинерц.

Инерцион.

Резистор

Емкость, индукт.

Диод

Трансформ.

Транзистор

Варикап

Рис. 2.1. Классификация элементов на низкой частоте

Основной характеристикой усилительного элемента является статическая характеристика (СХ) – величина постоянного тока через электроды элемента в зависимости от приложенных напряжений. Представляют интерес входная, проходная и выходная статические характеристики.

2.2. Диоды и их статические характеристики

Кремниевый диод представляет собой полупроводниковый прибор с двумя выводами. В зависимости от полярности приложенного напряжения его сопротивление либо велико, либо мало. Статическая характеристика и пример детектирования амплитудномодулированного сигнала приведены на рисунках.

Xa:	1.000	Xb:	0.000	a-b:	1.000
Yc:	240.0m	Yd:	0.000	c-d:	240.0m
b					a

A240m c

200m

160m

120m

80m

40m

0								d
0		167m	333m	500m	667m	833m	1

Ref=Ground X=167m/Div Y=current

C2

1u VD1

V1 -1/1V

	R1	R2	C1
			10n
	1k	10k

1MHz

Рис. 2.2. СХ диода

Рис. 2.3. Схема АМ детектора

8

Стабилитрон – это разновидность кремниевого диода, у которого имеется участок пробоя при отрицательном напряжении. Статическая характеристика и пример параметрического стабилизатора даны на следующих рисунках.

	Xa: 1.700		Xb:-6.000	a-b: 7.700
	Yc: 1.200		Yd:-1.200	c-d: 2.400
	b					a
A	997m							c
	655m
	313m
	-28m

-371m

-713m

-1.05								d
-6		-4.72	-3.43	-2.15	-867m	417m	1.7
			Ref=Ground	X=1.28/Div Y=current

R1

100

+	Vs1	VD1
	10V
-

Рис. 2.4. СХ стабилитрона

Рис. 2.5. Схема стабилизатора напряжения

Тиристор представляет собой разновидность кремниевого диода. Имеется управляющий электрод, при подаче тока в который наступает пробой тиристора в прямом направлении, если к нему приложено напряжение. При отключении напряжения тиристор снова закрывается. Применяется для коммутации цепей переменного тока.

Динистор является диодом с явлением лавинного пробоя в обратном направлении. Имеет при этом область с отрицательным и малым по величине сопротивлением. Используется как защитный диод или элемент автогенератора.

Туннельный диод является разновидностью кремниевого диода с S-образным участком на прямой ветви, т.е. имеющий участок с отрицательным сопротивлением (туннельный эффект). Используется в схемах генераторов колебаний.

2.3. Биполярные транзисторы

Полупроводниковые активные (усилительные) элементы (транзисторы) – это элементы, имеющие три вывода: два входных и два выходных. Два вывода используются как общие. Каскад на транзисторе содержит схему смещения на входе для установления рабочей точки. Выходные электроды через балластный резистор подключены к источнику питания. Смысл усиления состоит в том, что между выходными электродами меняется проводимость пропорционально входному сигналу и на выходном балластном резисторе вырабатывается сигнал, похожий на входной, но большей мощности.

9

Транзисторы бывают биполярные (эмиттер, база, коллектор) и полевые (исток, затвор, сток) с n или p типом проводимости. Схемы с n проводимостью используют положительное напряжение питания. Схемы с p проводимостью имеют отрицательное питание. Полевые транзисторы подразделяются на канальные и с изолированным затвором. Биполярные и полевые транзисторы с изолированным затвором и расширенным каналом нормально закрытые и для их работы требуется открывающее смещение. Канальные полевые транзисторы наоборот при нулевом входном напряжении максимально открыты. Им требуется запирающее смещение.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) транзистора с n-p-n проводимостью приведена на рис. 2.6. Через каскад протекают токи Ib, Ik, Ie, Ik0, Iдел.

	10V
5
R1	R3
100k	1k
	1uF
1uF	3
4		2
	MSD602R
-10m/10mV 7
		R4
R2
		10k
10k
1kHz	6

Рис. 2.6. Схема с ОЭ

Коэффициент усиления по напряжению Ku=S*(R1||RH), где S= Ic/ Ube – крутизна транзистора. Коэффициент усиления по току равен β= Ic/ Ib. Каскад используется в низкочастотных и простых схемах, где нужен прежде всего большой коэффициент усиления по мощности.

Схема для снятия статической характеристики приведена на рисунке (показать нагрузочную прямую Icm=E/R1, U=E)

5

+

0.5V

-

0V

3	-	+

A

MSD602R

0

Xa: 990.Xb:0m 300.a0m-b: 690.0m

Yc: 4.200mYd: 0.000c-d: 4.200m

b	a
A 4.2m	c

43.5m

+		2.8m
	3V
		2.1m
-		1.4m
		700u
		0						d
		300m	415m	530m	645m	760m	875m	990m

Ref=Ground X=115m/Div Y=current

10